軟木復(fù)合結(jié)構(gòu)建筑柱體耐火性能研究

蔣 瞻 謝文博 王 正 劉中洋 趙天長

(1. 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037；2. 江蘇森之虎建筑工程有限公司，江蘇 南京 210000)

多年來，國內(nèi)外相關(guān)研究人員一直致力于建筑物的防火研究[1-2]。20世紀(jì)80年代，英國出臺了世界上第一部建筑防火性能規(guī)范。其后的30多年來，英國、澳大利亞、美國等國積極推動建筑防火性能的設(shè)計與研究工作，并取得了諸多成果[3-6]。我國從20世紀(jì)90年代才開始著手開展建筑防火性能研究，但因受研究人員局限、教育研究機(jī)構(gòu)不健全等因素制約，使這項(xiàng)對建筑物關(guān)鍵性能的研究工作進(jìn)展緩慢，如對木結(jié)構(gòu)建筑的防火措施僅局限于在建筑表面上涂上防火材料[7]，或通過隔火焰、防熱輻射、隔氧等手段提高其耐火性能，這些方法對建筑構(gòu)件的防火保護(hù)作用十分有限。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)房屋中的梁、柱、墻、樓板、門、窗等是其關(guān)鍵的建筑部件。為了提升現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的柱體等結(jié)構(gòu)的耐火能力[8-9]，本研究針對工程應(yīng)用中常用的木柱、鋼柱結(jié)構(gòu)件，通過選用葡萄牙軟木板與木柱和鋼柱復(fù)合制成的防火復(fù)合結(jié)構(gòu)柱部件，開展阻燃效果測試與對比研究，以期對進(jìn)一步提高我國現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的防火性能技術(shù)水平提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

葡萄牙軟木板由AMORIM ICB集團(tuán)公司生產(chǎn)，厚度為10、30 mm，密度為0.118 g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.04 W/(m·K)，比熱 ≥ 2.0 J/(g·℃)，其使用溫度范圍為-180～140 ℃，且在高溫或冷凍條件下性能保持穩(wěn)定，是一種很好的工程隔熱材料。

GT-bond 186型改性硅烷樹脂型密封膠，由美國格林里奇公司生產(chǎn)，密度為1.41 g/cm3，剪切強(qiáng)度為0.8 MPa，固化時間為0.3 h，伸長率為250%，VOC含量為0.02‰，甲醛含量為3.11 mg/kg。

實(shí)驗(yàn)儀器為：1) ET1120型紅外測溫儀。其精度為0.1 ℃；2) 丁烷燃燒器。其火焰方向與垂直方向夾角為45°，火焰溫度 (1 000 ± 200) ℃，火焰長度約12 cm；3) 不銹鋼燃燒架1只、秒表1只、鋼直尺1把 (精度1 mm)、打火機(jī)1只。

1.2 實(shí)驗(yàn)試樣的制備

本測試對象為6種木建筑柱體試件：

1) 未加葡萄牙軟木保護(hù)的木柱 (M1，圖1a)。其木柱材料為SPFⅡ級材、截面尺寸為65 mm × 65 mm。

2) 木柱單面加厚度為10 mm、密度為0.118 g/cm3葡萄牙軟木板而制作的防火復(fù)合結(jié)構(gòu)木柱 (M2，圖1b)；其木柱材料為SPFⅡ級材、截面尺寸為65 mm × 65 mm。

3) 木柱單面加厚度為30 mm、密度為0.118 g/cm3葡萄牙軟木板而制作的防火復(fù)合結(jié)構(gòu)木柱 (M3，圖1c)；其木柱材料為SPFⅡ級材、截面尺寸為65 mm × 65 mm。

4) 未加葡萄牙軟木板保護(hù)的鋼柱 (S1，圖1d)；其鋼柱材料為截面尺寸為100 mm × 100 mm，厚度為3 mm的Q235碳素鋼無縫方鋼管。

圖1 6種木建筑柱體試件Fig.1 Six specimens with wooden column

5) 鋼柱單面加厚度為10 mm，密度為0.118 g/cm3葡萄牙軟木板而制作的防火復(fù)合結(jié)構(gòu)鋼柱 (S2，圖1e)；其鋼柱材料為截面尺寸為100 mm × 100 mm，厚度為3 mm的Q235碳素鋼無縫方鋼管。

6) 鋼柱單面加厚度為30 mm，密度為0.118 g/cm3葡萄牙軟木板而制作的防火復(fù)合結(jié)構(gòu)鋼柱 (S3，圖1f)；其鋼柱材料為截面尺寸為100 mm × 100 mm，厚度為3 mm的Q235碳素鋼無縫方鋼管。

上述木結(jié)構(gòu)建筑防火復(fù)合結(jié)構(gòu)的木柱M2、M3和防火復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋼柱S2、S3的制作工藝為：在各2塊基材為木柱和鋼柱上均勻涂抹一層GT-bond 186型改性硅烷樹脂型密封膠，1 min后將軟木板粘貼在基材柱上，保持0.3 h時待其固化完成。依據(jù)GB/T 17657—2013 《人造板及飾面人造板理化性能實(shí)驗(yàn)方法》 中4.19條款 《浸漬剝離性能測定》 對M2、M3、S2、S3防火復(fù)合柱試件進(jìn)行檢測，結(jié)果均合格。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)參照GB/T 8626—2007 《建筑材料可燃性實(shí)驗(yàn)方法》 中規(guī)定的對用小火焰直接沖擊垂直放置的試件，采用測定建筑制品可燃性的方法來測試木柱、鋼柱，以及軟木與基材柱 (木柱、鋼柱) 的防火復(fù)合結(jié)構(gòu)件的耐火性能。6種試件的耐火性能測試見圖2。其中，采用錫箔制作收集盤，其面積為100 mm × 50 mm，厚度為10 mm。收集盤放在試樣正下方，每次實(shí)驗(yàn)后更換收集盤；不銹鋼支架置于收集盤上方；在點(diǎn)火處的正下方放置未經(jīng)染色的嶄新濾紙，其濾紙含灰量小于0.1%；燃燒器的燃料為丁烷，其火焰溫度為 (1 000 ± 200) ℃、燃燒器角度為45°、燃燒器距試件水平距離為100 mm；實(shí)測環(huán)境溫度為25.7 ℃，相對濕度為65%，符合環(huán)境溫度為 (23 ± 5) ℃、相對濕度為 (50 ± 20) %的測試要求。

木柱和鋼柱的測點(diǎn)位置見圖3，其背火點(diǎn)為紅外測溫儀的測溫點(diǎn)位置。測試過程為：點(diǎn)燃位于垂直方向的丁烷燃燒器，待火焰穩(wěn)定后調(diào)節(jié)燃燒器微調(diào)閥，測量火焰高度；沿燃燒器的垂直軸線將丁烷燃燒器傾斜45°，水平推進(jìn)，直至火焰抵達(dá)預(yù)設(shè)的點(diǎn)火處，開始計時；每隔30 s測一次背火面的2個測點(diǎn)溫度，并詳細(xì)記錄。測試時，紅外測溫儀應(yīng)對準(zhǔn)火焰中心位置。每次測試時濾紙應(yīng)及時更換并進(jìn)行拍照取樣。

圖2 耐火性能測試Fig.2 Fire resistance test

圖3 木柱和鋼柱測點(diǎn)位置示意Fig.3 Measuring points of wooden and steel columns

2 結(jié)果與分析

2.1 M1、M2、M3測試結(jié)果與分析

實(shí)測木柱M1和防火復(fù)合木柱結(jié)構(gòu)試件M2、M3的時間-溫度曲線見圖4。

由圖4可知，當(dāng)火焰噴射20 min后，試件M1的背火點(diǎn)1溫度開始明顯升高、背火點(diǎn)2則無明顯升高。當(dāng)火焰噴射至39 min時，試件M1的背火點(diǎn)2的溫度急劇升高，并與背火點(diǎn)1溫度處在同一水平，此時M1木柱試件已達(dá)到耐火極限。2個測點(diǎn)所測溫度為火焰燒穿木柱后穿過木柱背火面的火焰溫度。

試件M2在火焰噴射22 min時的背火點(diǎn)1的溫度開始升高，而背火點(diǎn)2處的溫度則無明顯變化。當(dāng)火焰噴射至43 min后，M2試件的背火點(diǎn)1處的溫度開始急劇升高。由于試件已達(dá)到耐火極限，火焰已經(jīng)蔓延到背火點(diǎn)2，背火點(diǎn)2附近的溫度為火焰溫度。

試件M3在火焰噴射26 min時的背火點(diǎn)1的溫度開始升高，而背火點(diǎn)2處的溫度則無明顯變化。當(dāng)火焰噴射至48 min后，M3試件的背火點(diǎn)1處的溫度開始急劇升高，由于試件已經(jīng)達(dá)到耐火極限，火焰已經(jīng)蔓延到背火點(diǎn)2，背火點(diǎn)2附近的溫度為火焰溫度。

耐火性能檢測實(shí)驗(yàn)后的2種木柱對比發(fā)現(xiàn)，M1木柱的狀態(tài)明顯比M3木柱差 (圖5)。

木柱M1和防火復(fù)合木柱結(jié)構(gòu)試件M2、M3耐火極限見圖6。

由圖6可知，木柱M1和防火復(fù)合木柱結(jié)構(gòu)試件M2、M3的耐火極限值分別為39、43、48 min。顯然，M3試件的耐火極限明顯高于未加葡萄牙軟木板保護(hù)的M1試件。M1試件在20 min時的背火面開始有明顯的溫度升高，而M2試件23 min后才開始有明顯升高，M3試件30 min后才有明顯升高。由此可得，10 mm厚的葡萄牙軟木板可提高木柱的耐火極限4 min左右，30 mm厚的葡萄牙軟木板可提高木柱的耐火極限9 min左右。

圖4 木柱M1和防火復(fù)合木柱結(jié)構(gòu)試件M2、M3的時間-溫度曲線Fig.4 Time-temperature curve of M1, M2 and M3

圖5 耐火性能檢測實(shí)驗(yàn)后的2種木柱Fig.5 Two kinds of wooden columns after fire resistance test

圖6 木柱M1和防火復(fù)合木柱結(jié)構(gòu)試件M2、M3耐火極限Fig.6 Fire resistance limit time of M1, M2 and M3

2.2 S1、S2、S3測試結(jié)果與分析

實(shí)測鋼柱S1和防火復(fù)合鋼柱結(jié)構(gòu)試件S2、S3的時間-溫度曲線見圖7。

由圖7可知，試件S1背火點(diǎn)1的溫度從計時開始便隨時間不斷升高，0.5 min時的背火點(diǎn)1的溫度達(dá)到217.2 ℃；6.5 min后背火點(diǎn)1處的溫度已接近火焰溫度；背火點(diǎn)2處的溫度隨時間緩慢升高。

防火復(fù)合鋼柱結(jié)構(gòu)試件S2背火點(diǎn)1處溫度從計時開始緩慢升高；14 min后葡萄牙軟木板失去對鋼柱的保護(hù)作用，背火點(diǎn)1處的溫度開始急劇升高，背火點(diǎn)2處的溫度變化較緩慢；17.65 min時的背火點(diǎn)1的溫度達(dá)到217.2 ℃。

防火復(fù)合鋼柱結(jié)構(gòu)試件S3背火點(diǎn)1處溫度從計時開始緩慢升高；20 min后葡萄牙軟木板失去對鋼柱的保護(hù)作用，背火點(diǎn)1處的溫度開始急劇升高，背火點(diǎn)2處的溫度變化較緩慢；23.22 min時的背火點(diǎn)1的溫度達(dá)到217.2 ℃。

圖7 鋼柱S1和防火復(fù)合鋼柱結(jié)構(gòu)試件S2、S3的時間-溫度曲線Fig.7 Time-temperature curve of S1, S2 and S3

鋼柱S1和防火復(fù)合鋼柱結(jié)構(gòu)試件S2、S3耐火極限見圖8。

圖8 鋼柱S1和防火復(fù)合鋼柱結(jié)構(gòu)試件S2、S3耐火極限Fig.8 Fire resistance limit time of S1, S2 and S3

從圖8中可知，S1試件從點(diǎn)火開始背火面溫度就不斷升高；S2試件在點(diǎn)火14 min后背火面的溫度才開始明顯急劇增加，此時的葡萄牙軟木板喪失對鋼柱的保護(hù)作用；而S3試件在20 min后背火面溫度才開始有明顯急劇增加。由此可知，10 mm厚的葡萄牙軟木板可增加鋼柱的耐火極限值14 min左右，30 mm厚的葡萄牙軟木板可增加鋼柱耐火極限值20 min左右。

2.3 測試實(shí)驗(yàn)后濾紙情況

測試后檢查放置在試件正下方的濾紙 (圖9)，發(fā)現(xiàn)有葡萄牙軟木保護(hù)的M2、M3、S2、S3防火復(fù)合結(jié)構(gòu)件在燃燒實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的滴落物均未引燃濾紙；而沒有葡萄牙軟木保護(hù)的M1、S1試件則在燃燒實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的滴落物引燃了濾紙。由此推斷，有葡萄牙軟木板保護(hù)的柱結(jié)構(gòu)件在火災(zāi)中不會掉落高溫滴落物，以免對人身財產(chǎn)造成的進(jìn)一步傷害。

圖9 耐火性能檢測實(shí)驗(yàn)后的濾紙F(tuán)ig.9 Filter paper after fire resistance test

3 結(jié) 論

葡萄牙軟木板越厚，其與木柱的復(fù)合結(jié)構(gòu)件的耐火極限時間則越長。對于同規(guī)格的木柱，10 mm厚的葡萄牙軟木板可提高木柱耐火極限值時間約4 min，30 mm厚的葡萄牙軟木板可提高約9 min。而對于同規(guī)格的鋼柱，10 mm厚的葡萄牙軟木板可提高鋼柱耐火極限值時間約14 min，30 mm厚的葡萄牙軟木板可提高約20 min。

在相同厚度的葡萄牙軟木板保護(hù)下，軟木板與鋼柱結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)件的防火作用優(yōu)于與木柱結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)件。有葡萄牙軟木板保護(hù)的防火復(fù)合結(jié)構(gòu)柱件在火災(zāi)中不會產(chǎn)生高溫滴落物，可防止其對人身財產(chǎn)造成危害。